機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐

王才東 王良文 李一浩

鄭州輕工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 河南鄭州 450002

機(jī)器人學(xué)是一門綜合機(jī)械、電子、控制等學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課，理論教學(xué)內(nèi)容包括機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、動(dòng)力學(xué)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)等。隨著工廠自動(dòng)化程度的提高，工業(yè)機(jī)器人在點(diǎn)焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運(yùn)、包裝、碼垛等行業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用。[1]在工科院校的機(jī)電、自動(dòng)化等理工類專業(yè)開設(shè)機(jī)器人學(xué)課程，可以使學(xué)生充分學(xué)習(xí)機(jī)電領(lǐng)域理論與實(shí)踐相關(guān)知識(shí)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)綜合運(yùn)用能力和創(chuàng)新能力，更好地適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求。[2,3]

機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容要求學(xué)生對前期的基礎(chǔ)知識(shí)掌握較好，其中機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)涉及矩陣變換理論。機(jī)器人動(dòng)力學(xué)涉及理論力學(xué)的內(nèi)容，如虛功原理、達(dá)朗貝爾原理、拉格朗日方程，控制技術(shù)涉及自動(dòng)控制理論。為了進(jìn)一步更新教學(xué)理念，優(yōu)化教學(xué)策略，提高教學(xué)效果，為學(xué)生在后續(xù)的工作中創(chuàng)造出新的研究成果奠定基礎(chǔ)，本文對機(jī)器人課程教學(xué)進(jìn)行改革和探索，提出一些建議和改革措施。

1 機(jī)器人課程目前教學(xué)現(xiàn)狀

目前機(jī)器人教學(xué)中存在如下問題:重視理論教學(xué)、輕視實(shí)踐環(huán)節(jié),對學(xué)生創(chuàng)新精神和探索能力的培養(yǎng)不夠；重視知識(shí)傳授，強(qiáng)調(diào)概念講解和理論公式的推導(dǎo)，忽視對學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)。[4,5]具體問題如下：

(1)本科生的機(jī)器人學(xué)教材內(nèi)容多以工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂為教學(xué)對象，系統(tǒng)講授機(jī)器人的工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)建模、傳感和控制等基礎(chǔ)知識(shí)。教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)際結(jié)合不緊密，不利于對學(xué)生創(chuàng)新精神和探索能力的培養(yǎng)。

(2)動(dòng)力學(xué)章節(jié)講授中存在復(fù)雜的理論公式推導(dǎo)，使學(xué)生對機(jī)器人動(dòng)力學(xué)推導(dǎo)不感興趣，產(chǎn)生厭學(xué)情緒，教學(xué)效果不好。

(3)實(shí)踐教學(xué)與課堂教學(xué)脫節(jié)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備開放性不強(qiáng)，學(xué)生只能觀看演示，不能實(shí)際動(dòng)手操作。學(xué)生對實(shí)驗(yàn)缺乏興趣，沒有積極主動(dòng)性，只是被動(dòng)的實(shí)驗(yàn)。

目前機(jī)器人教學(xué)落后于機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，為全面提高機(jī)器人教學(xué)的質(zhì)量，需針對以上問題，對機(jī)器人教學(xué)進(jìn)行改革，制定更為合理的課程內(nèi)容和教學(xué)方案，加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)，使學(xué)生能學(xué)到系統(tǒng)的機(jī)器人專業(yè)知識(shí)并具有較強(qiáng)的實(shí)際運(yùn)用能力。

2 課程改革實(shí)施方案

針對機(jī)器人課程教學(xué)中存在的問題，對課程內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行綜合改革。調(diào)整機(jī)器人課程教學(xué)內(nèi)容，充實(shí)機(jī)器人領(lǐng)域最新研究成果。探索將新的教學(xué)方法應(yīng)用于機(jī)器人教學(xué)。建立一種雙向交流的教學(xué)模式，課堂上加強(qiáng)與學(xué)生的互動(dòng)，啟發(fā)學(xué)生思維，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性；改革傳統(tǒng)的教學(xué)手段，建立一種現(xiàn)代化的教學(xué)模式。在傳統(tǒng)的板書和多媒體教學(xué)的基礎(chǔ)上，增加現(xiàn)場教學(xué)環(huán)節(jié)，課堂辯論式教學(xué)環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性。強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，構(gòu)建機(jī)器人教學(xué)和科研共享實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，增加實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。使學(xué)生學(xué)到的理論知識(shí)與工程實(shí)踐相結(jié)合。開展項(xiàng)目教學(xué)法，鞏固所學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生對知識(shí)的綜合應(yīng)用能力。

2.1 教學(xué)內(nèi)容的更新

根據(jù)我校機(jī)電方向人才培養(yǎng)目標(biāo)制定了“機(jī)器人學(xué)”課程的教學(xué)目標(biāo)：通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生熟悉機(jī)器人技術(shù)及其發(fā)展概況，掌握工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生具有一定的工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)與應(yīng)用能力。

機(jī)器人課程的教學(xué)內(nèi)容較多，針對不同專業(yè)應(yīng)有不同的側(cè)重：機(jī)電類學(xué)生應(yīng)該側(cè)重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等內(nèi)容；自動(dòng)化類學(xué)生應(yīng)側(cè)重控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軌跡規(guī)劃算法內(nèi)容。另外應(yīng)明確哪些內(nèi)容是本科階段需要掌握的，哪些內(nèi)容可以留待研究生階段進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)，使學(xué)生學(xué)習(xí)有所側(cè)重。

例如，對于本科生，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)內(nèi)容講授時(shí)，不必過分強(qiáng)調(diào)動(dòng)力學(xué)建模和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算等，而應(yīng)重點(diǎn)講述正運(yùn)動(dòng)學(xué)D-H法建模與計(jì)算。另外，應(yīng)注意理論教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容的互補(bǔ)性，當(dāng)學(xué)生應(yīng)用這些知識(shí)進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制實(shí)驗(yàn)時(shí)，自然會(huì)聯(lián)想到逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問題；當(dāng)進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)，機(jī)器人末端執(zhí)行器發(fā)生抖動(dòng)時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象認(rèn)識(shí)到動(dòng)力學(xué)特性對于控制的影響。

另外，在傳感器章節(jié)中應(yīng)側(cè)重講解機(jī)器人系統(tǒng)中應(yīng)用較多的新型傳感器，如觸覺和視覺傳感器等。對一些常規(guī)的傳感器(如測速碼盤)，在先修課程測控技術(shù)中已學(xué)過，在該課程中可少講或不講。重點(diǎn)講授不同傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)及使用場合，在機(jī)器人設(shè)計(jì)中能夠合理地選用傳感器。

把機(jī)器人最新技術(shù)引入課堂，增加兩學(xué)時(shí)機(jī)器人新技術(shù)與工程應(yīng)用專題。通過視頻教學(xué)的形式向?qū)W生介紹工業(yè)機(jī)器人的工程應(yīng)用實(shí)例，主要講述工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械加工上下料、汽車制造生產(chǎn)線、電子產(chǎn)品裝配、產(chǎn)品包裝與分揀等行業(yè)的應(yīng)用，使學(xué)生了解機(jī)器人最新技術(shù)。

2.2 教學(xué)方法改革

針對目前機(jī)器人課程教學(xué)偏重知識(shí)型教學(xué)，不利于對學(xué)生的綜合能力的培養(yǎng)。改革教學(xué)方式，建立一種雙向交流的教學(xué)模式，在教學(xué)過程中處理好知識(shí)與能力的關(guān)系。機(jī)器人課程是多學(xué)科綜合技術(shù)，符合項(xiàng)目教學(xué)法的特點(diǎn)[6,7]，因此采用項(xiàng)目教學(xué)法。采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法進(jìn)行教學(xué)，使理論學(xué)習(xí)與動(dòng)手實(shí)踐相結(jié)合，按照項(xiàng)目分組進(jìn)行實(shí)踐性教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神和動(dòng)手實(shí)踐能力。

增加現(xiàn)場教學(xué)環(huán)節(jié)。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)是課程的難點(diǎn)和重點(diǎn)，但以往用機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡圖講解，比較抽象，學(xué)生不容易掌握。因此，把該部分課堂教學(xué)改在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，以實(shí)驗(yàn)室的機(jī)器人為例，現(xiàn)場講述機(jī)器人的關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的概念及設(shè)置方法、D-H法建模、運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的建立及運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的知識(shí)，使同學(xué)們更好地理解和掌握機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識(shí)，提高教學(xué)效果。

開展課堂辯論式教學(xué)活動(dòng)。針對機(jī)器人學(xué)中的一些熱門和比較有爭議的話題，組織課堂討論。如在講述機(jī)器人帶來的社會(huì)問題時(shí)，引用“超級(jí)電腦深藍(lán)戰(zhàn)勝國際象棋世界冠軍卡斯帕羅夫”這一問題提出：智能機(jī)器人是否會(huì)超越人類，并控制人類？在講述機(jī)器人與人的合作的問題，辯論的議題為“沒有機(jī)器人，人將變?yōu)闄C(jī)器”。為了加深學(xué)生對機(jī)器人應(yīng)用前景的理解，辯論議題為：家庭服務(wù)機(jī)器人離我們有多遠(yuǎn)？提前布置辯論議題，正反雙方學(xué)生結(jié)合機(jī)器人學(xué)課程內(nèi)容，查閱相關(guān)資料；辯論中，學(xué)生們展開討論，激烈爭辯，提出自己的觀點(diǎn)。通過對辯論式教學(xué)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生對機(jī)器人的熱點(diǎn)問題進(jìn)行思考，激發(fā)學(xué)生對機(jī)器人學(xué)習(xí)的興趣。

2.3 強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué) 構(gòu)建教學(xué)和科研共享實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)使學(xué)生加深對機(jī)器人基本概念和理論的理解，機(jī)器人實(shí)驗(yàn)是對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、坐標(biāo)系建立、運(yùn)動(dòng)學(xué)、軌跡規(guī)劃等內(nèi)容進(jìn)行加強(qiáng)，是對課堂教學(xué)的深化與補(bǔ)充。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：運(yùn)動(dòng)學(xué)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、示教再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)、運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)、物料分揀搬運(yùn)實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手與實(shí)踐能力。

針對機(jī)器人實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的問題，運(yùn)用VC語言設(shè)計(jì)開發(fā)了虛擬機(jī)器人仿真系統(tǒng)，如圖1所示。虛擬機(jī)器人主要包括三維仿真界面、數(shù)據(jù)狀態(tài)顯示、操作界面三大部分。操作界面有啟動(dòng)、運(yùn)動(dòng)學(xué)解算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、示教再現(xiàn)等按鈕，完成對虛擬機(jī)器人的操控。數(shù)據(jù)顯示模塊顯示當(dāng)前位置姿態(tài)、期望角度和運(yùn)動(dòng)速度等機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)。該機(jī)器人仿真平臺(tái)可以完成運(yùn)動(dòng)學(xué)解算、軌跡規(guī)劃、示教再現(xiàn)等實(shí)驗(yàn)。

同時(shí)，依托我校學(xué)科建設(shè)經(jīng)費(fèi)建立工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，購置六自由度機(jī)器人ABB-IRB 1600-6、機(jī)器人物料運(yùn)送生產(chǎn)系統(tǒng)等實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，構(gòu)建能同時(shí)滿足本科生的機(jī)器人課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)和教師及研究生從事機(jī)器人軌跡規(guī)劃算法研究的機(jī)器人綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖2所示。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上新增產(chǎn)品識(shí)別與分揀實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限，把六個(gè)學(xué)生分成一組，學(xué)生按組輪流來做實(shí)驗(yàn)，每名學(xué)生都可以動(dòng)手操作機(jī)器人，鞏固機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)動(dòng)手實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力。

圖1 虛擬教學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 基于機(jī)器人的物料運(yùn)送系統(tǒng)

2.4 引導(dǎo)大學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)促進(jìn)教學(xué)

注重把創(chuàng)新素養(yǎng)的培養(yǎng)融入課堂教學(xué)及課程設(shè)計(jì)中，鼓勵(lì)學(xué)生參加各類學(xué)科競賽，在學(xué)科競賽運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和創(chuàng)造能力。先后指導(dǎo)學(xué)生參加國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃機(jī)器人相關(guān)項(xiàng)目兩項(xiàng)：基于人機(jī)交互的多功能救援機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、鄭輕焊接機(jī)器人開發(fā)與推廣。通過組織學(xué)生參與創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。實(shí)踐中，有的學(xué)生對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)感興趣，有的學(xué)生擅長程序編制，還有部分學(xué)生對控制系統(tǒng)及電路設(shè)計(jì)感興趣。針對參與競賽活動(dòng)學(xué)生的興趣愛好，將創(chuàng)新設(shè)計(jì)任務(wù)模塊化，分為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)組、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)組、控制程序編寫組，把任務(wù)具體分配到小組及個(gè)人，使學(xué)生發(fā)揮自己的特長。通過創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，使學(xué)生運(yùn)用機(jī)器人技術(shù)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行科技創(chuàng)新，到達(dá)學(xué)以致用的目的。

3 教學(xué)改革的實(shí)踐效果

每學(xué)期機(jī)器人課程結(jié)束后制定課程調(diào)查問卷，讓學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出意見和建議。機(jī)器人課題組教師針對意見，對課程教學(xué)進(jìn)行不斷完善。為檢驗(yàn)教學(xué)改革效果，抽取30名學(xué)生進(jìn)行調(diào)查問卷。學(xué)生反饋的教學(xué)效果評(píng)價(jià)如下：對機(jī)器人十分感興趣的占92%；認(rèn)為教學(xué)內(nèi)容能夠反映機(jī)器人學(xué)最新成果的占90%；認(rèn)為機(jī)器人知識(shí)要點(diǎn)在課堂上的能理解的同學(xué)占84%；對開放式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目滿意、認(rèn)為實(shí)驗(yàn)效果良好為89%；認(rèn)為能通過課程學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)，使實(shí)踐能力與創(chuàng)新精神得到培養(yǎng)的占87%。

4 結(jié)束語

針對機(jī)器人學(xué)課程中存在的問題，并結(jié)合我校機(jī)器人教學(xué)的實(shí)際情況，對機(jī)器人學(xué)課程進(jìn)行了改革與探索。調(diào)整機(jī)器人課程教學(xué)內(nèi)容，把機(jī)器人最新技術(shù)引入課堂；建立一種雙向交流的教學(xué)模式；強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，構(gòu)建機(jī)器人教學(xué)和科研共享實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，增加實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。引導(dǎo)和指導(dǎo)大學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新能力。通過機(jī)器人課程教學(xué)改革，激發(fā)了學(xué)生對機(jī)器人的興趣，使學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)理論，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，取得了良好教學(xué)效果。

[1]戰(zhàn)強(qiáng),閆彩霞,蔡堯.機(jī)器人教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].現(xiàn)代教育技術(shù),20l0(3):144-147.

[2]董翠敏,劉永強(qiáng).以機(jī)器人教育為平臺(tái)培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和能力[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011,30(9):243-244.

[3]趙弘,趙毅鑫.機(jī)器人學(xué)課程教育方法的探討[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2008(11):81-83.

[4]王蘭.發(fā)展機(jī)器人教育培養(yǎng)綜合型創(chuàng)新人才的研究與實(shí)[J].天津工程師范學(xué)院學(xué)報(bào),2005(4):61-63.

[5]雷靜桃,劉亮,張海洪.“機(jī)器人學(xué)”課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013,32(5):179-190.

[6]張志佳,張雪,李佳.基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)專業(yè)校內(nèi)實(shí)訓(xùn)模式的研究與實(shí)踐[J].中國輕工教育,2012(2):53-55.

[7]張奇志,周亞麗.機(jī)器人學(xué)教學(xué)內(nèi)容改革與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育,2012(18):67-69.